Soutenance mémoire
Au col du Simplon, sur le versant sud pas loin de Gondo, les eaux de trois lacs sont turbinées par trois centrales hydroélectriques. HYDRO Exploitation SA gère l’ensemble de l’aménagement qui appartient à la société Energie Electrique du Simplon. L’objectif de ce projet de diplôme est de réaliser un outil de prévision pour la production de ces trois centrales. Les engagements de différentes turbines seront planifiés sur un horizon d’une semaine en tenant compte :
– Des différents états des machines (possibilité d’engagement, limitation physique et technique des installations)
– Des profils de production proposés par le centre d’exploitation et de gestion (Dispatching d’Alpiq)
– Des niveaux d’eau dans les lacs .
CONTEXTE
Depuis la fin du XIX siècle, l’exploitation de la force hydraulique pour la production d’électricité a un rôle majeur dans le système énergétique suisse. Celle-ci connaît une croissance majeure entre 1950 et 1970, période pendant laquelle le développement annuel de la force hydraulique est estimé à un demi-milliard de franc. En 1970, 90 % de l’électricité en suisse est produite par l’hydraulique. Cette proportion sera revue à la baisse, seulement, suite à la naissance des centrales nucléaires. En effet, on ne compte aujourd’hui plus que 55% de l’électricité national produite d’origine hydraulique. Si les années de ’50 à ’70 représentent les années d’or du développement de l’hydraulique, la première décennie du XXI siècle est, quant à elle, la période de grande rentabilité de l’électricité produite par les barrages suisses. En effet, grâce au pompage-turbinage et à la possibilité de stocker l’énergie en grande quantité dans les lacs, les producteurs hydrauliques ont dès lors eu l’opportunité de jouer avec les prix de l’électricité. Quand ces derniers étaient bas, les producteurs profitaient pour remplir les barrages avec le pompage (p.ex. en consommant l’électricité de production nucléaire pendant la nuit). Et ils profitaient de turbiner l’eau quand le prix de l’électricité était plus haut, (par exemple pendant les pics de demandes). Cela a engendré un excèdent annuel du commerce de l’électricité suisse de plus d’un milliard par année entre les années 2002 et 2011. La production était donc très rentable lors des pointes de demandes pendant toute cette période et l’hydraulique était de loin la meilleure variante pour combler les pics de demandes qui ne pouvaient pas être satisfaits par les énergies qui produisent en ruban tel que le nucléaire, le charbon, etc. Depuis la crise financière et économique de la zone Euro de 2009, les prix de l’électricité ont chuté. De plus, le marché européen a vécu et vit aujourd’hui encore une distorsion due aux énormes financements étatiques pour les nouvelles énergies renouvelables. Les productions telles que le photovoltaïque et l’éolien sont subventionnées pour faciliter leur entrée sur le marché de l’électricité et bénéficient d’un accès prioritaire au réseau.
Cette augmentation de la production non programmée, complètement dépendante des conditions météorologiques, a cependant compliqué l’exploitation des aménagements hydrauliques à accumulation. L’hydraulique vit donc actuellement une probable situation de transition où sa valeur recule continuellement, et voit ainsi sa rentabilité menacée. Cependant, sa contribution à la sécurité d’approvisionnement énergétique est toujours plus centrale et primordiale.
La force hydraulique et son exploitation rentrent dès lors dans un nouveau paradigme dans lequel elles deviennent de moins en moins rentables, étant donné les prix actuels dérisoires de l’électricité, mais où leur rôle de compensation des énergies renouvelables à forte fluctuation, est de plus en plus important. A l’heure actuelle, nombre de centrales ont plutôt intérêt à faire de la régulation de réseau, en offrant une partie de leur puissance de production aux services système qui s’occupent de régler l’équilibre constant entre la production et la consommation, plutôt que de vendre l’énergie produite sur le marché de l’électricité.
DETAIL DE L’AMENAGEMENT DU SIMPLON
Historique
La société « Energie Electrique du Simplon » (EES) a été créée en 1947, lors de la grande ascension des constructions hydrauliques en Europe. L’entreprise numéro un en Suisse de l’électricité, Alpiq, est actionnaire majoritaire de la société EES. Cette entreprise compte trois centrales : Gondo, Gabi et Tannuwald, mises en service respectivement en 1952, 1958 et 1981. Les trois centrales turbinent l’eau de trois lacs : le barrage de Fah pour la centrale de Tannuwald, celui de Serra pour Gondo et le bassin de compensation d’Eggen pour la centrale de Gabi. La puissance globale est de 60 MW et, en réunissant les trois lacs, la capacité de stockage est de 430’000 m3. Les eaux turbinées à Gabi et à Tannuwald sont récupérées dans le barrage de Serra et turbinées une deuxième fois à Gondo.
Une commande à priori
Les ordres d’engagement des machines seront donc le résultat d’un modèle prédictif, ce qui peut être interprété comme une commande à priori d’un système de régulation: l’objectif n’est en effet pas, à ce stade, l’automatisation et l’optimisation du procédé, mais plutôt l’implémentation d’un outil qui accompagne la décision, l’ordre final, de production de la société du Simplon.
Un modèle prédictif travaille sur une base de mesure qui alimente un modèle mathématique et/ou logique qui décrit le comportement du processus.
De fait, les modèles physiques du processus de production hydro-électrique sont les suivants :
Le modèle hydrologique, qui peut prévoir avec une bonne fiabilité les débits rentrant dans les lacs et donc les quantités d’énergie disponibles en fonction du temps. Pour ce model les variables d’entrée sont, d’une part la situation passée et actuelle des bassins versants, et, d’autre part, les prévisions météorologiques (températures et précipitations). Ce modèle devrait idéalement être implémenté avec un logiciel tel que RS-Minerve (produit par l’entreprise Crealp à Sion, accessible gratuitement), un outil de prévisions hydrologiques qui, très intuitivement, permet de modéliser le bassin versant des différents lacs et, à l’aide des prévisions de température et de précipitations (qu’il faut saisir en entrée), obtient de bonnes prévisions hydrologiques pour les bassins. Par faute de temps, ce projet a modélisé l’hydrologie dans les différents lacs de l’aménagement à partir des données historiques fournies par HYDRO Exploitation, et en se concentrant, pour une première approche, sur une semaine du mois d’avril. Le mois d’avril a été choisi, car, comme expliqué dans le chapitre trois, il fait partie des mois où la production sur le site est très variable, et donc plus intéressante à simuler par sa plus grande imprévisibilité. Toutefois, l’intégration des résultats d’un tel logiciel a été prise en compte dans l’implémentation du programme pour une future application.
Le modèle physique de la production, qui prend en compte les contraintes techniques de tout l’ensemble de l’aménagement : la puissance correspondante pour des débits choisis, les structures des lacs, leurs courbes du volume en fonction de la hauteur, leurs hauteurs maximums et minimums, les courbes de rendements, etc.
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Table des matières
1 INTRODUCTION
1.1 OBJECTIF
1.2 CONTEXTE
2 DETAIL DE L’AMENAGEMENT DU SIMPLON
2.1 Historique
2.2 Détails de production
2.1 Les régimes hydrologiques
3 ENJEUX D’UNE OPTIMISATION
3.1 La position du projet dans la chaîne de production hydroélectrique
3.2 Une commande à priori
3.3 Les termes temporels de l’optimisation
4 LA FONCTION OBJECTIF
4.1 Les principes des critères à optimiser
4.2 Le détail des coûts individuels
5 STRATEGIE D’OPTIMISATION
5.1 Choix de l’algorithme génétique
5.2 La population de départ
6 L’OUTIL INFORMATIQUE
6.1 L’organisation du programme
6.2 Les détails à connaitre
7 LES RESULTATS DES SIMULATIONS
7.1 Simulation à l’heure
7.2 Simulation au quart d’heure
8 CONCLUSION
9 Remerciements
11 Annexes
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